KR100691542B1

KR100691542B1 - 리튬이차전지용 전이금속 산화물계 음극물질의 제조방법

Info

Publication number: KR100691542B1
Application number: KR1020010049678A
Authority: KR
Inventors: 정재한; 이기영; 이재영; 강용묵; 김기태; 박성철
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2001-08-17
Filing date: 2001-08-17
Publication date: 2007-03-09
Also published as: KR20030015776A

Abstract

본 발명은 리튬 2차 전지의 음극물질의 제조방법에 관한 것으로, 특히 리튬 2차 전지의 음극물질로 사용되어 초기 싸이클(cycle)에서의 비가역 용량을 줄이고 초기 충방전 효율을 높일 수 있는 a) 전이금속 산화물에 전이금속을 첨가 혼합하는 단계; 및 b) 상기 혼합물을 볼-밀링(ball milling)하는 단계를 포함하는 전이금속 산화물계 음극물질의 제조방법을 제공한다.

리튬 2차 전지, 음극 물질, 비가역 용량, 초기 충방전 효율, 전이금속 산화물, 전이금속, 볼 밀링

Description

리튬이차전지용 전이금속 산화물계 음극물질의 제조방법{METHOD FOR PREPARING TRANSITION METAL OXIDE BASED NEGATIVE ELECTRODE MATERIAL FOR LITHIUM SECONDARY BATTERIES AND THE SAME}

도 1은 Ni 분말을 첨가한 후 30 분 동안 볼-밀링(Ball-milling)을 실시한 Co 산화물의 1, 2 싸이클(cycle)에서의 충방전 곡선이다.

도 2는 Co 산화물의 1, 2 싸이클(cycle)에서의 충방전 곡선이다.

도 3은 Ni 분말이 첨가된 Co 산화물의 1, 2 싸이클(cycle)에서의 충방전 곡선이다.

도 4는 Ni 분말을 첨가한 후 볼-밀링(Ball-milling) 시간에 따른 Co 산화물의 초기 충방전효율(initial coulometric efficiency)의 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 리튬 2차 전지의 음극물질의 제조방법에 관한 것으로, 특히 리튬 2차 전지의 음극물질로 사용되어 초기 싸이클(cycle)에서의 비가역 용량을 줄이고 초기 충방전 효율을 높일 수 있는 전이금속 산화물계 음극물질의 제조방법에 관한 것이다.

노트북, 캠코더, 핸드폰, 소형 녹음기와 같은 휴대용 전자 기기가 급속히 발전하면서 이러한 휴대용 전자 기기의 수요가 점차로 증가함에 따라 이의 에너지원인 전지가 점차 중요한 문제로 대두되고 있다. 전지 중에서 재사용이 가능한 2차 전지의 수요는 급속히 증가되고 있으며, 특히 이러한 2차 전지 중에서 리튬이차전지는 높은 에너지 밀도 및 방전전압으로 인해 가장 많이 연구되고 있으며 또한 상용화되고 있다.

리튬 2차 전지에서 가장 중요한 부분은 음극 및 양극을 구성하고 있는 물질이며, 특히 현재 음극재료로서는 고결정질 탄소재가 상용화되어 있다. 고결정질 탄소재는 첫번째 싸이클(cycle)에서 전해질과 리튬이 반응하여 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface, 이하 SEI)을 형성하며, 충방전시 부피변화가 작아 SEI의 파괴가 일어나지 않으므로 우수한 싸이클(cycle) 특성을 나타내는 장점이 있다. 그러나 이론적 용량이 372 mAh/g으로 제한되어 있고 부피당 에너지 밀도가 2976 Wh/l로 낮아 고용량 리튬이차전지의 개발을 위해서는 더 높은 용량을 갖는 새로운 음극 활물질의 개발이 절실히 요구된다.

고용량을 가지는 음극 재료로는 Li 금속, Li 합금(alloy) 계열, 질화물(nitride), 전이금속 산화물(transition metal oxide) 등이 있다. 이중에서 Li 금속(metal)은 반응성이 큰 것이 문제가 되긴 하지만 유기 전해질 내에서 전극 표면에 부동태 피막을 형성하여 표면에서 일어나는 부반응을 억제한다. 그러나 충방전이 진행되는 동안 Li이 침상, 수지상으로 석출되면서 전류 효율저하와 그에 따 른 전극 수명의 감소를 가져오고, 침상이기 때문에 양극/음극간의 단락을 초래하게 되어 안정성에도 문제가 있다.

Li 합금(alloy) 계열은 Li과 고체 용액(solid solution)을 형성하는 금속원소를 음극으로 쓴다. 현재 연구가 많이 진행되고 있는 것으로는 Li과 합금(alloy)을 형성하는 활성 원소(active element)로 주석(Sn)을 사용하는 주석 합금(Sn alloy) 계열과 규소(Si)을 사용하는 규소 합금(Si alloy) 계열이 있다.

Li 합금(alloy)은 Li 금속(metal)과 더불어 높은 용량을 가지지만 Li이 충방전할 때에 유발되는 큰 부피 팽창으로 인한 활물질의 퇴화(pulverization)가 발생하여 전극 수명이 급격히 감소하는 단점을 가지고 있다. Li_3-xCo_xN 등의 질화물(nitride) 재료는 니찌시마(Nishijima) 등(Solid State Ionics 83 (1996) 107)의 연구 결과에서 높은 용량과 더불어 상당히 안정적인 전극 수명을 가지는 것으로 알려져 있지만, 원천 재료인 Li₃N이 공기중에서 불안정한 특성을 보이고 초기 상태가 Li 충전된(charged) 상태이기 때문에 현재의 양극재료인 리튬 전이 금속 산화물과는 같이 사용될 수 없다.

포이조(P. Poizot) 등(Letters to nature 407 (2000) 496)에 의해서 양극 재료가 아닌 음극 재료로서 사용될 수 있음이 밝혀진 전이 금속 산화물(M_xO_y, M (ⅢA, ⅣA, ⅤA, ⅥA, ⅦA, ⅧA 족 원소))는 완전하지는 않지만 안정적인 전극 수명 특성과 공기 중에서의 안정성, 및 양극 재료인 리튬 전이 금속 산화물과의 결합이 가능하다는 장점을 가지고 있지만 초기 싸이클(cycle)에서 큰 비가역 용량이 나타나는 단점을 가지고 있다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 고려하여, 초기 싸이클(cycle)에서의 비가역 용량을 줄이고 초기 충방전 효율을 높일 수 있는 전이금속 산화물계 음극물질의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 전이금속 산화물계 음극물질의 제조방법에 있어서,

a) 전이금속 산화물에 전이금속을 첨가 혼합하는 단계; 및

b) 상기 혼합물을 볼-밀링(ball milling)하는 단계

를 포함하는 전이금속 산화물계 음극물질의 제조방법을 제공한다.

이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명자들은 음극재료용 전이금속 산화물의 충방전이 비가역상으로 알려진 Li₂O의 가역적인 분해와 합성을 통하여 이루어지는 것으로 알려져 있음에 착안하여 전이금속을 첨가하여 전이금속 산화물과 함께 볼-밀링(ball-milling)을 해줄 경우 전기 전도도의 증가와 함께 충방전 반응에 있어서 촉매 역할을 함으로써 반응의 가역성이 증대될 수 있음을 알아내었다.

따라서 본 발명은 음극전극용 1 종 이상의 전이금속 산화물(M_xO_y, 여기에서 M은 Co, Ni, Mn, Fe 등을 포함한 ⅢA, ⅣA, ⅤA, ⅥA, ⅦA, ⅧA 족 원소이고, x, 및 y는 전이금속 금속 M의 산화수에 따르는 값)에 전이 금속(Co, Ni 등을 포함한 ⅢA, ⅣA, ⅤA, ⅥA, ⅦA, ⅧA 족 원소)를 첨가한 후 볼-밀링(ball-milling) 처리한 후, 이들을 리튬 2차 전지의 음극물질로 사용하여 초기 싸이클(cycle)에서의 비가역 용량을 줄이고 초기 충방전 효율을 높인 것이다.

상기 음극 활물질로 사용되는 전이금속 산화물은 금속 전이원소의 카보네이트(carbonate), 아세테이트(acetate), 하이드록사이드(hydroxide), 나이트레이트(nitrate), 설페이트(sulfate), 또는 클로라이드(chloride) 등의 전구체를 산소, 질소, 아르곤, 또는 대기 분위기의 로(furnace)에서 600 내지 1000 ℃의 온도로 6 내지 24 시간 동안 열처리를 실시함으로써 제조될 수 있다.

본 발명의 리튬 2차 전지의 음극 물질로 사용되는 볼-밀링 처리되는 전이금속 첨가 전이금속 산화물은 상기와 같은 합성 전이금속 산화물에 Ni, Co 등의 ⅢA, ⅣA, ⅤA, ⅥA, ⅦA, ⅧA 족 전이금속 원소 중의 1 종 이상의 분말을 전이금속 산화물 100 중량부에 대하여 1 내지 50 중량부를 첨가한 후, 1 : 1 ∼ 20 : 1의 볼 대 분체원료 비율(ball to powder ratio)를 유지하여 5 분 내지 20 시간 동안 볼-밀링(ball-milling)을 실시하여 제조하는 것이 바람직하다.

이와 같이 제조된 전이금속 산화물과 전이금속의 볼-밀링 처리물은 리튬이차전지의 음극물질로 사용되기 위하여 유기용매에 녹인 바인더 용액에 통상의 도전재와 함께 잘 혼합한 후, 이 혼합액을 구리 엑스메트(exmet)에 도포하여 130 ℃ 전후의 온도로 진공 오븐에서 1∼4 시간 동안 건조한 후 프레스를 사용하여 압착하여 음극으로 제조한다.

이하의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 이들만으로 한정하는 것이 아니다.

[실시예]

실시예 1

코발트 카보네이트(cobalt carbonate)를 산소 분위기의 로(furnace)에서 800 ℃의 온도로 12 시간 동안 열처리를 하여 음극 활물질로 사용되는 코발트 산화물을 제조하였다.

상기 코발트 산화물 100 중량부에 금속 니켈(Ni)을 20 중량부를 첨가한 후 7.65 : 1의 볼 대 분체원료 비율(ball to powder ratio)를 유지하여 30 분 동안 볼-밀링 처리를 실시하였다.

한편 리튬이차전지용 음극전극은 먼저 폴리비닐리덴(polyvinylidene) 바인더를 N-메틸피롤리디논(N-methylpyrrolidinone) 용매에 녹인 후, 그 용액에 상기에서 제조한 볼-밀링 처리된 Ni 첨가 Co 산화물과 일반적으로 2차 전지에 사용하는 공지의 도전재를 잘 혼합하여 섞은 후, 상기 혼합액을 구리 엑스메트(exmet)에 도포하여 130 ℃의 진공 오븐에서 건조한 후 프레스를 사용하여 압착하여 제조하였다.

이렇게 하여 제조한 리튬 2차 전지용 음극과 리튬 금속 호일을 사용하여 스테인레스 스틸이 케이스로 된 동전 모양의 시험용 반쪽전지를 제조하여 충방전시험을 행하였다. 이때 음극은 리튬 금속을 사용하였으며 전해질은 LiPF₆/EC:DEC(1:1)을 사용하였다.

실시예 2

니켈 카보네이트(nickel carbonate)를 산소 분위기의 로(furnace)에서 800 ℃의 온도로 12 시간 동안 열처리를 실시하여 음극 활물질로 사용하는 니켈(Ni) 산화물이 제조하였다.

상기 니켈 산화물 100 중량부에 금속 니켈(Ni)을 20 중량부를 첨가한 후 7.65 : 1의 볼 대 분체원료 비율(ball to powder ratio)를 유지하여 30 분 동안 볼-밀링 처리를 실시하였다.

이후 과정은 실시예 1과 같은 조건으로 하여 반쪽전지를 제조하였다.

(볼-밀링된 Ni 첨가 Co 산화물의 초기 충방전 효율 시험)

상기 볼-밀링된 Ni 첨가 Co 산화물을 음극 물질로 사용하는 반쪽 전지의 1, 2 싸이클에서의 초기 충방전 효율(initial coulometric efficiency) 시험 결과를 도 1에 나타내었다. 이와 비교하기 위하여 Co 산화물만을 음극물질로 사용한 반쪽 전지의 1, 2 싸이클에서의 초기 충방전 효율은 도 2에 나타내었으며, 볼-밀링 처리를 하지 않고 Co 산화물에 Ni을 첨가하여 음극물질로 사용한 반쪽 전지의 1, 2 싸이클에서의 초기 충방전 효율은 도 3에 나타내었다.

이 충방전 곡선에서 볼-밀링된 Ni 첨가 Co 산화물을 음극물질로 사용할 경우가 비가역 용량이 가장 적다는 것을 알 수 있다.

(볼-밀링된 Ni 첨가 Co 산화물의 볼-밀링 처리 시간에 따른 초기 충방전 효율)

상기 볼-밀링된 Ni 첨가 Co 산화물을 음극 물질로 사용하는 반쪽 전지의 1, 2 싸이클에서의 초기 충방전 효율(initial coulometric efficiency)을 볼-밀링 처리 시간 별로 도 4에 나타내었다.

여기에서 30 분 정도 볼-밀링(ball-milling)을 행하였을 때 가장 우수한 초기 충방전 효율 특성이 나타남을 알 수 있다.

본 발명은 고용량 음극 재료인 전이금속 산화물에서 문제가 되고 있는 초기 충방전에서의 비가역성을 해결함으로써 현재 상용 음극 재료인 고결정질 탄소를 대체할 수 있게 한다. 이러한 고용량 음극 재료의 사용은 리튬 전지의 고집적화, 고성능화를 가능케 함으로써 휴대폰, 캠코더 및 노트북 컴퓨터와 같은 가전제품에 쓰이는 이차전지 시장에서의 리튬이차전지의 비중을 더욱 높일 수 있을 뿐 아니라 전기 자동차 등 높은 에너지 밀도를 요구하는 분야에 있어서의 리튬이차전지의 사용을 가능하게 할 수 있다.

Claims

전이금속 산화물계 음극물질의 제조방법에 있어서,

a) 하기 화학식을 갖는 전이금속 산화물에 ⅢA, ⅣA, ⅤA, ⅥA, ⅦA, ⅧA 족 원소로 이루어진 군 중에서 선택되는 전이금속을 첨가 혼합하는 단계; 및

b) 상기 혼합물을 볼-밀링(ball milling)하는 단계 전이금속 산화물계 음극물질의 제조방법;

[화학식]

M_xO_y,

식 중, M은 ⅢA, ⅣA, ⅤA, ⅥA, ⅦA 및 ⅧA 족 원소로 이루어진 군 중에서 선택된 것이고; x 및 y는 M의 산화수에 따르는 값임.
제 1 항에 있어서,

상기 a)단계의 전이금속의 첨가량이 전이금속 산화물 100 중량부에 대하여 1 내지 50 중량부인 전이금속 산화물계 음극물질의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 b)단계의 볼-밀링은 1 : 1 ∼ 20 : 1의 볼 대 분체원료 비율(ball to powder ratio)를 유지하여 5 분 내지 20 시간 동안 실시되는 전이금속 산화물계 음극물질의 제조방법.
제 1 항 기재의 제조방법으로 제조되는 전이금속 산화물계 음극물질을 음극에 포함하는 리튬 2차 전지.
제 1 항에 있어서,

상기 화학식의 M이 Co, Ni, Mn 및 Fe로 이루어진 군 중에서 선택되는 것인 전이금속 산화물계 음극물질의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 전이금속이 Co 또는 Ni인 전이금속 산화물계 음극물질의 제조방법.